EP1361715A1 - Method for determining the signal propagation properties of a wireless transmittable signal - Google Patents
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- EP1361715A1 EP1361715A1 EP02009360A EP02009360A EP1361715A1 EP 1361715 A1 EP1361715 A1 EP 1361715A1 EP 02009360 A EP02009360 A EP 02009360A EP 02009360 A EP02009360 A EP 02009360A EP 1361715 A1 EP1361715 A1 EP 1361715A1
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Definitions
- the invention relates to a method for determining the signal propagation properties a wirelessly transferable signal, in particular a mobile radio signal, in which a in at least one emission area radiated signal in at least one receiving area is received and values of parameters of a given signal model for Adaptation of a signal estimated based on the signal model to the received one Signal are optimized in a sequence of iterations intimiden, one to execute a Such a method suitable device and a digital storage medium, with its Help the procedure can be performed.
- the signal y (t) received in a receiving area is composed of a plurality of sub-signals y l (t), each of which generates a signal component s (t; ⁇ l ) and a noise component W l (t).
- This relationship can be expressed in a formula as follows:
- s ( t; ⁇ l ) ⁇ l exp ⁇ 2 ⁇ i ⁇ l ⁇ t ⁇ * c 2 ( ⁇ 2, l ) c 1 ( ⁇ 1 l ) T ⁇ u ( t ⁇ l )
- ⁇ l denotes the complex amplitude of the partial signal l, ⁇ l, the Doppler shift of the partial signal l with respect to the radiated, caused by reflection at a possibly movable reflector, the delivery of the signal by a mobile transmitter and / or the reception of the signal by a mobile receiver ⁇ 2, l the angle of incidence of the partial signal l in the receiving area, ⁇ 1, l the emission direction of the partial signal l from the emission area, c 2 the receiving characteristic of the receiving area, c 1 the emission characteristic of the emission area, ⁇ l the signal transit time of the partial signal l from the emission area to the reception range and ⁇ l the parameter vector [ ⁇ 1, l , ⁇ 2, l , ⁇ l , ⁇ l , ⁇ l ] of the partial signal l.
- the partial signals y l (t) can be signals emitted by a radiation region and transmitted to the reception region via different signal propagation paths and / or signals radiated from different emission regions to the reception region.
- the number of sub-signals considered in the signal evaluation is denoted by L.
- the parameter vector ⁇ and ML ( y ) with which an optimum adaptation of the signal estimated based on the signal model to the received signal y (t) can be assumed to be the value of ⁇ for which the function ⁇ ( ⁇ ; y) is maximal becomes: where:
- the "expectation-maximization algorithm" already mentioned above for solving the optimization task was specified, in which the parameter sets ⁇ l are optimized independently for the individual sub-signals so that the 8L-dimensional optimization problem in L decays eight-dimensional problems, respectively.
- the SAGE algorithm already discussed above has been proposed by resolving the individual eight-dimensional optimization problems for each sub-signal into eight one-dimensional problems.
- the invention has the object to provide a refinement of the known method, which is a realistic Description of the signal propagation properties with given signal models allowed and to provide a device for carrying out such methods and a provide appropriate digital storage medium.
- a limit for the integral Deviation of the estimated signal from the received signal can be set.
- a limit value for the maximum Deviation are determined. When falling below the corresponding limit values the iterative optimization is then aborted.
- the evaluation step carried out in the method according to the invention requires additional evaluation capacity. Furthermore, the variable design of the number of Iterations Colouren without further modification of the known methods cause a disproportionately long evaluation time is needed. In extreme cases, without further Changes in the known methods do not reach the given convergence criteria, so that the process of iterative optimization is not completed.
- Adjustments in the selection of parameters taken into account during the iteration iterative optimization underlying signal model can be made.
- adjustments can be based on the consideration of new partial signals. The may be necessary if the first predetermined number of partial signals for realistic description of the signal propagation environment is not sufficient.
- the iterative optimization also individual parameters are ignored, i. at one or fed to several consecutive iteration steps no further optimization become. In this case, corresponding sub-signals can either completely from the iterative Optimization underlying signal model removed or in this signal model be considered constant.
- the complete removal of the corresponding Partial signal from the signal model can in the context of the method according to the invention then take place when the estimated amplitude of the iterative optimization of the corresponding sub-signal falls below a predetermined limit, possibly via a predetermined number of consecutive iteration steps.
- a temporary one Ignoring individual parameters or parameter sets can in the context of the invention Procedure, if the corresponding parameters at a given Number of consecutive iteration steps none a given limit cross-border change. This limit can be like the rest above-mentioned limits are made variable, so that in one Iteration step ignored parameters in a later iteration step become.
- the parameter values become usually in each iteration step to adapt the estimated signal to that measuring signal varies gradually.
- This can be a further acceleration of the process be achieved if at least one parameter value in at least one iteration step only in a predetermined subrange of a possible range of values for this Parameter is varied.
- Such a measure may be useful, for example, if the physical environment for signal propagation is the propagation path for a or more sub-signals appear to be particularly likely and for these sub-signals individual parameter values depending on the environment particularly reliable can be predicted.
- the subareas of corresponding parameter values other sub-signals are determined by the fact that the sub-area of the particularly reliable foreseeable partial signal is excluded from the possible value range. In this way, even sub-signals outside the most likely signal propagation paths reliably determined.
- a further acceleration in the execution of inventive method can be achieved if, for at least one parameter value of the signal model Step size in the variation within at least one iteration step and / or between successive iteration steps is varied.
- variable design of the iterative Optimization has it in the sense of a particularly rapid achievement of the given Convergence criteria proved to be particularly advantageous if the order of the Execution of the individual partial iteration steps of a complete iteration step in Dependence on the parameter values optimized in a previous iteration step the parameter sets is determined. If in this context the order the Generaliterations Coloure corresponding to that in a previous iteration step optimized amplitudes of the sub-signals starting with the highest / smallest amplitude If the partial signal is executed, the parameter sets for weak ones can also be executed Partial signals can be optimized quickly and reliably.
- the inventive method can be used with particular advantage using the SAGE algorithm for parameter optimization, in which at least one Supplementiterations Colour the optimization of the adaptation of the parameter values of a parameter set is performed in a sequence of Unteriterations intimiden, in each case an optimization of the adaptation of a subset of Parameter values of the same parameter set, assuming constant values for the other parameters of this parameter set.
- the above-mentioned signal model in which it is assumed that the measured signal y (t) is present as a superposition of a number of sub-signals y l (t).
- the determination of the initial values for the iterative optimization carried out in the course of the method according to the invention can be further improved if the initial values for the parameters of a parameter set are determined successively using the received signal and the previously determined initial values of the parameters of this parameter set.
- initial values for parameter sets which belong to sub-signals which are subsequently considered after execution of at least one iteration step can be determined using previously determined parameter values of the other sub-signals.
- the partial signal y l (t) is preferably first determined on the basis of the measured signal and the already determined initial values of the parameter sets.
- the signal propagation time ⁇ l , the incident angle ⁇ 2, l , the radiation angle ⁇ 1, l , the Doppler frequency ⁇ l are determined for the sub-signal y l and an estimated value for the amplitude ⁇ l is calculated therefrom.
- This initial value determination can be carried out using an arrangement with a plurality of radiating and receiving elements (MIMO system) according to the following algorithm:
- the coordinate pairs ( ⁇ 1, l , ⁇ 1, l ) and ( ⁇ 2, l , ⁇ 2, l ) represent the direction of incidence or polarization representing the emission direction of the corresponding sub-signal, t i, n, m the start time of one in one Measuring cycle i emitted by a radiating element n and received by a receiving element m code signal, T sc the duration for which the sub-channel with the Abstrahlement n and the receiving element m is connected for the evaluation and standardized steering vectors for the emission area and the reception area.
- a device for carrying out these methods has at least one emitting device for emitting a signal, at least one receiving device for receiving the radiated signal and an evaluation device for adjusting the parameters a signal model to the received signal, wherein the evaluation device for Executing the variable iterative optimization method explained above is.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Signalausbreitungseigenschaften eines drahtlos übertragbaren Signals, insbesondere Mobilfunksignals, bei dem ein in mindestens einem Abstrahlbereich abgestrahltes Signal in mindestens einem Empfangsbereich empfangen wird und Werte von Parametern eines vorgegebenen Signalmodells zur Anpassung eines auf Grundlage des Signalmodells geschätzten Signals an das empfangene Signal in einer Folge von iterationsschritten optimiert werden, eine zur Ausführung eines derartigen Verfahrens geeignete Vorrichtung und ein digitales Speichermedium, mit dessen Hilfe das Verfahren ausgeführt werden kann. The invention relates to a method for determining the signal propagation properties a wirelessly transferable signal, in particular a mobile radio signal, in which a in at least one emission area radiated signal in at least one receiving area is received and values of parameters of a given signal model for Adaptation of a signal estimated based on the signal model to the received one Signal are optimized in a sequence of iterationsschritten, one to execute a Such a method suitable device and a digital storage medium, with its Help the procedure can be performed.
Verfahren der vorstehend beschriebenen Art wurden zur Auswertung von Ergebnissen einer PET(Positron-Elektron-Tomographie)-Untersuchung entwickelt. Später wurden diese Verfahren zur Entwicklung von Verfahren zur drahtlosen Kommunikation, einschließlich Mobilfunksystemen und Multi-User-Detection-Empfängern genutzt.Methods of the type described above were used to evaluate results PET (Positron Electron Tomography) examination. Later were These methods for developing wireless communication methods, including Mobile radio systems and multi-user detection receivers used.
Bei den zuletzt beschriebenen Anwendungen wird üblicherweise davon ausgegangen, daß sich das in einem Empfangsbereich empfangene Signal y(t) aus einer Vielzahl von Teilsignalen yℓ(t) zusammensetzt, von denen jedes einen von dem abgestrahlten Signal hervorgerufenen Signalanteil s(t; ℓ) und einen Rauschanteil Wℓ(t) aufweist. Dieser Zusammenhang läßt sich formelmäßig wie folgt ausdrücken: In the applications described last, it is usually assumed that the signal y (t) received in a receiving area is composed of a plurality of sub-signals y ℓ (t), each of which generates a signal component s (t; ℓ ) and a noise component W ℓ (t). This relationship can be expressed in a formula as follows:
Dabei kann angenommen werden, daß der von dem abgestrahlten Signal u(t)
hervorgerufene Signalanteil s(t; ℓ) wie folgt beschrieben werden kann:
Dabei bezeichnet αℓ die komplexe Amplitude des Teilsignals ℓ, νℓ die durch Reflexion
an einem ggf. beweglichen Reflektor, die Abgabe des Signals durch einen beweglichen
Sender und/oder den Empfang des Signals durch einen beweglichen Empfänger hervorgerufene
Dopplerverschiebung des Teilsignals ℓ bezüglich des abgestrahlten Signals, Ω2,ℓ den
Einfallswinkel des Teilsignals ℓ in den Empfangsbereich, Ω1,ℓ die Abstrahlrichtung des Teilsignals
ℓ vom Abstrahlbereich, c2 die Empfangscharakteristik des Empfangsbereichs, c1 die
Abstrahlcharakteristik des Abstrahlbereichs, τℓ die Signallaufzeit des Teilsignals ℓ vom Abstrahlbereich
zum Empfangsbereich und ℓ den Parametervektor [Ω1,ℓ, Ω2,ℓ, τℓ, νℓ, αℓ] des
Teilsignals ℓ. Dabei können die Teilsignale yℓ(t) von einem Abstrahlbereich abgestrahlte und
über verschiedene Signalausbreitungswege zum Empfangsbereich gelangte Signale sein
und/oder von unterschiedlichen Abstrahlbereichen zum Empfangsbereich abgestrahlte
Signale sein. Die Anzahl der bei der Signalauswertung berücksichtigten Teilsignale wird mit
L bezeichnet. Unter der Annahme, daß der von dem abgestrahlten Signal hervorgerufene
Signalanteil des empfangenen Signals insgesamt mit
bezeichnet wird, wobei gilt,
Dieser Zusammenhang ist beispielsweise erläutert in "B.H. Fleury, D. Dahlhaus, R. Heddergott und M. Tschudin, "Wideband Angle of Arrival Estimation Using the SAGE Algorithm" in Proc. IEEE Fourth International Symp. Spread Spectrum Technics and Applications (ISSSTA'96), Mainz, Germany, September 1996, S. 79-85". Der Inhalt dieser Schrift wird hiermit durch ausdrückliche Inbezugnahme hinsichtlich der Erläuterung des Expectation-Maximization-Algorithmus und des SAGE-Algorithmus in diese Beschreibung aufgenommen. Aus der vorstehenden Erläuterung geht hervor, daß es sich bei der Anpassung der Parameterwerte des üblicherweise benutzten Signalmodells um ein nichtlineares 8L-dimensionales Optimierungsproblem handelt, weil sowohl die komplexe Amplitude αℓ als auch der Einfallswinkel Ω2ℓ und der Abstrahlwinkel Ω1ℓ durch jeweils zwei Parameterwerte beschrieben werden. Wenn man annimmt, daß das empfangene Signal aus nur 20 Teilsignalen besteht, handelt es sich also um ein 160-dimensionales nichtlineares Optimierungsproblem, das rechnerisch nicht bewältigt werden kann.This relationship is illustrated, for example, in BH Fleury, D. Dahlhaus, R. Heddergott and M. Tschudin, "Wideband Angle of Arrival Estimation Using the SAGE Algorithm" in Proc. IEEE Fourth International Symp. Spread Spectrum Techniques and Applications (ISSSTA'96 ), Mainz, Germany, September 1996, pp. 79-85. The content of this document is hereby incorporated into this description by explicit reference to the explanation of the expectation maximization algorithm and the SAGE algorithm. From the foregoing it appears that it is a non-linear 8L-dimensional optimization problem is to adapt the parameter values of the signal model commonly used because both the complex amplitude α ℓ and the incidence angle Ω 2ℓ and the beam angle Ω 1ℓ by two parameter values to be discribed. Assuming that the received signal consists of only 20 sub-signals, then it is a 160-dimensional nonlinear optimization problem that can not be computationally handled.
Aus diesem Grund wurde unter der Annahme, daß die Teilsignale yℓ(t) voneinander unabhängig sind, der vorstehend bereits angesprochene "Expectation-Maximization-Algorithmus" zur Lösung der Optimierungsaufgabe angegeben, bei dem die Parametersätze ℓ für die einzelnen Teilsignale unabhängig voneinander optimiert werden, so daß das 8L-dimensionale Optimierungsproblem in L jeweils achtdimensionale Probleme zerfällt. Zur weiteren Reduzierung des Rechnungsaufwandes wurde der vorstehend ebenfalls bereits angesprochene SAGE-Algorithmus vorgeschlagen, indem die einzelnen achtdimensionalen Optimierungsprobleme für jedes Teilsignal in acht eindimensionale Probleme aufgelöst werden.For this reason, assuming that the sub-signals y ℓ (t) are independent of one another, the "expectation-maximization algorithm" already mentioned above for solving the optimization task was specified, in which the parameter sets ℓ are optimized independently for the individual sub-signals so that the 8L-dimensional optimization problem in L decays eight-dimensional problems, respectively. To further reduce the billing effort, the SAGE algorithm already discussed above has been proposed by resolving the individual eight-dimensional optimization problems for each sub-signal into eight one-dimensional problems.
Für sog. MIMO-Anwendungen, bei denen der Abstrahlbereich eine Mehrzahl von Abstrahlelementen (Antennen) aufweist und der Empfangsbereich eine Mehrzahl von Empfangselementen (Empfangsantennen) aufweist, wird dieser Algorithmus erläutert in "B.H. Fleury, P. Jourdan und A. Stucki, "High-Resolution Channel Parameter Estimation for MIMO Applications Using the SAGE Algorithm" in 2002 Int. Zürich Seminar on Broadband Communications (IZS2002), 2002". Der Offenbarungsgehalt dieser in Kopie anliegenden Schrift hinsichtlich der Anwendung des SAGE-Algorithmus für MIMO-Anwendungen wird hiermit durch ausdrückliche Inbezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen.For so-called. MIMO applications, in which the radiation area a plurality of Radiating elements (antennas) and the receiving area has a plurality of Receiving elements (receiving antennas), this algorithm is explained in "B.H. Fleury, P. Jourdan and A. Stucki," High-Resolution Channel Parameter Estimation for MIMO Applications Using the SAGE Algorithm "in 2002 Int. Zurich Seminar on Broadband Communications (IZS2002), 2002. "The disclosure of this copy in copending Writing regarding the application of the SAGE algorithm for MIMO applications hereby incorporated by express reference in this description.
Beim Einsatz der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Bestimmen der Signalausbreitungseigenschaften hat es sich jedoch gezeigt, daß die damit erhaltenen Parametersätze für die einzelnen Teilsignale in vielen Fällen keine zufriedenstellende Beschreibung der Ausbreitungsverhältnisse erlauben, insbesondere nicht in Zusammenhang mit den physikalischen Gegebenheiten in der untersuchten Umgebung gebracht werden können.When using the known methods and apparatus for determining the Signal propagation properties, it has been shown that the thus obtained Parameter sets for the individual partial signals are in many cases not satisfactory Description of the propagation conditions allow, in particular not in connection be brought with the physical conditions in the studied environment can.
Angesichts dieser Probleme im Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Weiterbildung der bekannten Verfahren anzugeben, welche eine realistische Beschreibung der Signalausbreitungseigenschaften mit vorgegebenen Signalmodellen erlaubt sowie eine Vorrichtung zur Ausführung derartiger Verfahren anzugeben und ein entsprechendes digitales Speichermedium bereitzustellen.In view of these problems in the prior art, the invention has the object to provide a refinement of the known method, which is a realistic Description of the signal propagation properties with given signal models allowed and to provide a device for carrying out such methods and a provide appropriate digital storage medium.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine
Weiterbildung der bekannten Verfahren gelöst, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet
ist, daß das Ergebnis der iterativen Optimierung nach jedem Iterationsschritt bewertet
und in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Bewertung festgelegt wird, ob
Diese Erfindung geht auf die verblüffend einfache Erkenntnis zurück, daß die im Stand der Technik beobachteten Probleme in erster Linie dadurch hervorgerufen werden, daß bei herkömmlichen Verfahren im Hinblick auf die zur Verfügung stehende Computerkapazität sowohl die Anzahl der Iterationsschritte als auch die Anzahl der berücksichtigten Teilsignale vor Beginn der iterativen Optimierung festgelegt wird. Das kann zu einem Abbruch der iterativen Optimierung vor Erreichen einer zur zufriedenstellenden Systembeschreibung hinreichenden Konvergenz führen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Anzahl der Iterationsschritte hingegen nicht vorab festgelegt, sondern nach jedem Iterationsschritt in Abhängigkeit vom Ergebnis der iterativen Optimierung eine Bewertung durchgeführt, ob eine hinreichende Systembeschreibung erreicht wurde. Sofern diese Voraussetzung nicht erfüllt ist, wird die iterative Optimierung fortgesetzt. Dabei kann im Rahmen der Bewertung des Ergebnisses der iterativen Optimierung das geschätzte Signal mit dem empfangenen Signal verglichen werden und als Abbruchkriterium ein Grenzwert für die integrale Abweichung des geschätzten Signals von dem empfangenen Signal festgelegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann als Abbruchkriterium auch ein Grenzwert für die maximale Abweichung festgelegt werden. Bei Unterschreiten der entsprechenden Grenzwerte wird die iterative Optimierung dann abgebrochen.This invention is based on the amazingly simple knowledge that the im State of the art observed problems are primarily caused by that in conventional methods with regard to the available computer capacity Both the number of iteration steps and the number of considered Sub-signals is set before starting the iterative optimization. This can lead to a demolition the iterative optimization before reaching a satisfactory system description sufficient convergence. In the method according to the invention is the number of iteration steps is not fixed in advance, but after every iteration step carried out an evaluation depending on the result of the iterative optimization, whether a sufficient system description has been achieved. Unless this condition is not satisfied, the iterative optimization is continued. It can in the frame the evaluation of the result of the iterative optimization the estimated signal with the received signal are compared and as a termination criterion a limit for the integral Deviation of the estimated signal from the received signal can be set. Alternatively or additionally, as a termination criterion, a limit value for the maximum Deviation are determined. When falling below the corresponding limit values the iterative optimization is then aborted.
Alternativ oder zusätzlich kann im Rahmen der Bewertung des Ergebnisses der iterativen Optimierung untersucht werden, ob einzelne Parametersätze vorgegebenen Konvergenzkriterien genügen, d.h. ob die Parameterwerte der einzelnen Parametersätze in dem bewerteten Iterationsschritt einen vorgegebenen Grenzwert für eine Abweichung von dem entsprechenden in einem vorhergehenden Iterationsschritt ermittelten Parameterwert unterschreiten.Alternatively or additionally, in the context of the evaluation of the result of the iterative optimization are examined, whether individual parameter sets predetermined Meet convergence criteria, i. whether the parameter values of the individual parameter sets are in the rated iteration step a predetermined limit for a deviation of the corresponding parameter value determined in a preceding iteration step below.
Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführte Bewertungsschritt erfordert zusätzliche Auswertungskapazität. Ferner kann die variable Gestaltung der Anzahl von Iterationsschritten ohne weitere Änderung der bekannten Verfahren dazu führen, daß eine unverhältnismäßig lange Auswertungszeit benötigt wird. Im Extremfall werden ohne weitere Änderungen der bekannten Verfahren die vorgegebenen Konvergenzkriterien nicht erreicht, so daß das Verfahren der iterativen Optimierung nicht abgeschlossen wird.The evaluation step carried out in the method according to the invention requires additional evaluation capacity. Furthermore, the variable design of the number of Iterationsschritten without further modification of the known methods cause a disproportionately long evaluation time is needed. In extreme cases, without further Changes in the known methods do not reach the given convergence criteria, so that the process of iterative optimization is not completed.
Aus diesem Grund können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit von der Bewertung des Ergebnisses der iterativen Optimierung nach jedem Iterationsschritt Anpassungen bei der Auswahl der bei der Iteration berücksichtigten Parameter des der iterativen Optimierung zugrundegelegten Signalmodells vorgenommen werden. Derartige Anpassungen können einerseits in der Berücksichtigung neuer Teilsignale bestehen. Das kann dann notwendig werden, wenn die zunächst vorgegebene Anzahl von Teilsignalen zur realistischen Beschreibung der Signalausbreitungsumgebung nicht ausreicht. Alternativ oder zusätzlich können bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Verlauf der iterativen Optimierung auch einzelne Parameter ignoriert werden, d.h. bei einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Iterationsschritten keiner weiteren Optimierung zugeführt werden. Dabei können entsprechende Teilsignale entweder vollständig aus dem der iterativen Optimierung zugrundeliegenden Signalmodell entfernt oder aber in diesem Signalmodell als konstant angenommen werden. Die vollständige Entfernung des entsprechenden Teilsignals aus dem Signalmodell kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens dann erfolgen, wenn die im Rahmen der iterativen Optimierung geschätzte Amplitude des entsprechenden Teilsignals einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, ggf. über eine vorgegebene Anzahl von aufeinanderfolgenden Iterationsschritten. Eine vorübergehende Ignorierung einzelner Parameter bzw. Parametersätze kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen, wenn die entsprechenden Parameter bei einer vorgegebenen Anzahl aufeinanderfolgender Iterationsschritte keine einen vorgegebenen Grenzwert überschreitende Änderung erfahren haben. Dabei kann dieser Grenzwert wie auch die übrigen vorstehend angesprochenen Grenzwerte variabel gestaltet werden, so daß in einem Iterationsschritt ignorierte Parameter in einem späteren Iterationsschritt wieder berücksichtigt werden.For this reason, in the method according to the invention in dependence from the evaluation of the result of the iterative optimization after each iteration step Adjustments in the selection of parameters taken into account during the iteration iterative optimization underlying signal model can be made. such On the one hand, adjustments can be based on the consideration of new partial signals. The may be necessary if the first predetermined number of partial signals for realistic description of the signal propagation environment is not sufficient. alternative or additionally, during the execution of the method according to the invention in the course the iterative optimization also individual parameters are ignored, i. at one or fed to several consecutive iteration steps no further optimization become. In this case, corresponding sub-signals can either completely from the iterative Optimization underlying signal model removed or in this signal model be considered constant. The complete removal of the corresponding Partial signal from the signal model can in the context of the method according to the invention then take place when the estimated amplitude of the iterative optimization of the corresponding sub-signal falls below a predetermined limit, possibly via a predetermined number of consecutive iteration steps. A temporary one Ignoring individual parameters or parameter sets can in the context of the invention Procedure, if the corresponding parameters at a given Number of consecutive iteration steps none a given limit cross-border change. This limit can be like the rest above-mentioned limits are made variable, so that in one Iteration step ignored parameters in a later iteration step become.
Bei der Ausführung erfindungsgemäßer Verfahren werden die Parameterwerte üblicherweise in jedem Iterationsschritt zur Anpassung des geschätzten Signals an das zu messende Signal schrittweise variiert. Dabei kann eine weitere Beschleunigung des Verfahrens erreicht werden, wenn mindestens ein Parameterwert in mindestens einem Iterationsschritt nur in einem vorgegebenen Teilbereich eines möglichen Wertebereiches für diesen Parameter variiert wird. Eine solche Maßnahme kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn die physikalische Umgebung für die Signalausbreitung den Ausbreitungsweg für ein oder mehrere Teilsignale als besonders wahrscheinlich erscheinen läßt und für diese Teilsignale einzelne Parameterwerte in Abhängigkeit von der Umgebung besonders zuverlässig vorhergesagt werden können.In carrying out the method according to the invention, the parameter values become usually in each iteration step to adapt the estimated signal to that measuring signal varies gradually. This can be a further acceleration of the process be achieved if at least one parameter value in at least one iteration step only in a predetermined subrange of a possible range of values for this Parameter is varied. Such a measure may be useful, for example, if the physical environment for signal propagation is the propagation path for a or more sub-signals appear to be particularly likely and for these sub-signals individual parameter values depending on the environment particularly reliable can be predicted.
In diesem Zusammenhang können die Teilbereiche entsprechender Parameterwerte anderer Teilsignale dadurch festgelegt werden, daß der Teilbereich des besonders zuverlässig vorhersehbaren Teilsignals von dem möglichen Wertebereich ausgenommen wird. Auf diese Weise können auch Teilsignale außerhalb der wahrscheinlichsten Signalausbreitungswege zuverlässig ermittelt werden.In this context, the subareas of corresponding parameter values other sub-signals are determined by the fact that the sub-area of the particularly reliable foreseeable partial signal is excluded from the possible value range. In this way, even sub-signals outside the most likely signal propagation paths reliably determined.
Eine weitere Beschleunigung bei der Ausführung erfindungsgemäßer Verfahren kann erreicht werden, wenn für mindestens einen Parameterwert des Signalmodells die Schrittweite bei der Variation innerhalb mindestens eines Iterationsschrittes und/oder zwischen aufeinanderfolgenden Iterationsschritten variiert wird. A further acceleration in the execution of inventive method can be achieved if, for at least one parameter value of the signal model Step size in the variation within at least one iteration step and / or between successive iteration steps is varied.
Wie vorstehend bereits erläutert, wird bei der Ausführung erfindungsgemäßer Verfahren zweckmäßigerweise davon ausgegangen, daß das gemessene Signal nach dem vorgegebenen Signalmodell aus einer Mehrzahl von jeweils durch einen entsprechenden Parametersatz definierten Teilsignalen gebildet ist und die Optimierung der Anpassung der einzelnen Parameterwerte in einer Folge von Teiliterationsschritten ausgeführt werden kann, in denen jeweils eine Optimierung der Werte für einen Parametersatz unter Annahme konstanter Werte für die Parameter der übrigen Parametersätze erfolgt. Dabei können die Ergebnisse der Teiliterationsschritte innerhalb eines eine Folge von Teiliterationsschritten aufweisenden vollständigen Iterationsschrittes bereits berücksichtigt werden, wenn in einem Teiliterationsschritt ermittelte Parameterwerte eines Parametersatzes bei einem folgenden Teiliterationsschritt desselben Iterationsschrittes als konstante Werte für diesen Parametersatz angenommen werden. Dadurch kann eine deutliche Beschleunigung des Verfahrens erreicht werden. Zusätzlich können die Parameterwerte von in dem entsprechenden Iterationsschritt noch nicht behandelten Parametersätzen in mindestens einem Teiliterationsschritt zumindest teilweise aus dem vorhergehenden Iterationsschritt übernommen werden.As already explained above, in the embodiment according to the invention Method expediently assumed that the measured signal after the predetermined signal model of a plurality of each by a corresponding Parameter set defined sub-signals is formed and optimizing the adaptation of individual parameter values can be executed in a sequence of partial iterative steps, in each case an optimization of the values for a parameter set under assumption constant values for the parameters of the other parameter sets. The can Results of the partial iteration steps within a series of partiteration steps complete iteration step already taken into account, if in one Teiliterationsschritt determined parameter values of a parameter set in a following Part iteration step of the same iteration step as constant values for this parameter set be accepted. This can significantly speed up the process be achieved. In addition, the parameter values of in the corresponding iteration step not yet treated parameter sets in at least one Teiliterationsschritt at least partially taken from the previous iteration step.
Im Rahmen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen variablen Gestaltung der iterativen Optimierung hat es sich im Sinne eines besonders raschen Erreichens der vorgegebenen Konvergenzkriterien als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Reihenfolge der Ausführung der einzelnen Teiliterationsschritte eines vollständigen Iterationsschrittes in Abhängigkeit von den in einem vorhergehenden Iterationsschritt optimierten Parameterwerten der Parametersätze bestimmt wird. Wenn in diesem Zusammenhang die Reihenfolge der Teiliterationsschritte entsprechend der in einem vorhergehenden Iterationsschritt optimierten Amplituden der Teilsignale beginnend mit dem die höchste/kleinste Amplitude aufweisenden Teilsignal ausgeführt wird, können auch die Parametersätze für schwache Teilsignale schnell und zuverlässig optimiert werden.In the context of the inventively proposed variable design of the iterative Optimization has it in the sense of a particularly rapid achievement of the given Convergence criteria proved to be particularly advantageous if the order of the Execution of the individual partial iteration steps of a complete iteration step in Dependence on the parameter values optimized in a previous iteration step the parameter sets is determined. If in this context the order the Teiliterationsschritte corresponding to that in a previous iteration step optimized amplitudes of the sub-signals starting with the highest / smallest amplitude If the partial signal is executed, the parameter sets for weak ones can also be executed Partial signals can be optimized quickly and reliably.
Wie vorstehend bereits erläutert, kann die Berücksichtigung eines neuen Parameters bzw. eines neuen Parametersatzes im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens angezeigt sein, wenn nach Ausführung einer Anzahl von Iterationsschritten noch besonders große Abweichungen zwischen dem geschätzten Signal und dem gemessenen Signal beobachtet werden. As already explained above, the consideration of a new parameter or a new parameter set in the context of the method according to the invention if, after performing a number of iteration steps, it is still particularly large deviations between the estimated signal and the measured signal to be observed.
Daneben kann die Berücksichtigung neuer Parametersätze bzw. Teilsignale auch dann erforderlich werden, wenn sich hinter einem der bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits berücksichtigten Teilsignale eine Mehrzahl hinsichtlich zumindest eines Parameters ähnlicher Teilsignale verbergen. Das kann i.allg. daran erkannt werden, daß sich ein Parameterwert eines Parametersatzes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Iterationsschritten besonders stark verändert. Daher zeichnet sich eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dadurch aus, daß bei dem Schritt der Bewertung in dem entsprechenden Iterationsschritt optimierte Werte der Parameter mindestens eines Parametersatzes mit den in einem vorhergehenden Iterationsschritt optimierten Werten für die Parameter desselben Parametersatzes verglichen werden und bei einer oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegenden Änderung mindestens eines Parameterwertes in einem folgenden Iterationsschritt ein neuer Parametersatz des Signalmodells berücksichtigt wird.In addition, the consideration of new parameter sets or partial signals can also become necessary when behind one of the in the execution of the invention Method already considered partial signals a plurality at least hide a parameter of similar sub-signals. That can i.allg. be recognized that a parameter value of a parameter set between two consecutive Iteration steps changed particularly strong. Therefore, a particularly advantageous Embodiment of the invention characterized in that in the step of the evaluation in the corresponding iteration step optimized values of the parameters at least one Parameter set with the values optimized in a preceding iteration step for the parameters of the same parameter set are compared and at one above a predetermined limit change of at least one parameter value in a new iteration step takes into account a new parameter set of the signal model becomes.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit besonderem Vorteil unter Verwendung des SAGE-Algorithmus zur Parameteroptimierung eingesetzt werden, bei dem in mindestens einem Teiliterationsschritt die Optimierung der Anpassung der Parameterwerte eines Parametersatzes in einer Folge von Unteriterationsschritten ausgeführt wird, in denen jeweils eine Optimierung der Anpassung einer Teilmenge der Parameterwerte desselben Parametersatzes unter Annahme konstanter Werte für die übrigen Parameter dieses Parametersatzes erfolgt. Dabei wird in der Regel von dem oben angegebenen Signalmodell ausgegangen, bei dem angenommen wird, daß das gemessene Signal y(t) als Überlagerung von einer Anzahl von Teilsignalen yℓ(t) vorliegt.The inventive method can be used with particular advantage using the SAGE algorithm for parameter optimization, in which at least one Teiliterationsschritt the optimization of the adaptation of the parameter values of a parameter set is performed in a sequence of Unteriterationsschritten, in each case an optimization of the adaptation of a subset of Parameter values of the same parameter set, assuming constant values for the other parameters of this parameter set. In this case, it is generally assumed that the above-mentioned signal model in which it is assumed that the measured signal y (t) is present as a superposition of a number of sub-signals y ℓ (t).
Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können in einer Vielzahl von Fällen zufriedenstellende Beschreibungen der Signalausbreitung mit vergleichsweise wenigen Iterationsschritten, d.h. in kurzer Zeit erhalten werden. Allerdings hat es sich gezeigt, daß in einigen Fällen auch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Variation des Signalmodells nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen führt. Zur Behebung dieses Mangels wird gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung vorgeschlagen, den Anfangswert der iterativen Optimierung für mindestens einen Parameter des Signalmodells unter Verwendung des empfangenen Signals zu bestimmen. Diese Weiterbildung bekannter Verfahren geht auf die Erkenntnis zurück, daß die Konvergenzgeschwindigkeit von Optimierungsverfahren i.a. von einer geschickten Wahl der Anfangswerte der Optimierung abhängt und eine besonders realitätsnahe Wahl der Anfangswerte erfolgen kann, wenn bereits bei dieser Wahl das empfangene Signal berücksichtigt wird. Die Bestimmung der Anfangswerte für die im Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführte iterative Optimierung kann weiter verbessert werden, wenn die Anfangswerte für die Parameter eines Parametersatzes nacheinander unter Verwendung des empfangenen Signals und der zuvor bereits bestimmten Anfangswerte der Parameter dieses Parametersatzes bestimmt werden. Ebenso können Anfangswerte für Parametersätze, die zu erst nach Ausführung mindestens eines Iterationsschrittes nachträglich berücksichtigten Teilsignalen gehören, unter Verwendung von zuvor bestimmten Parameterwerten der anderen Teilsignale bestimmt werden. Dabei wird vorzugsweise zunächst anhand des gemessenen Signals und der bereits bestimmten Anfangswerte der Parametersätze das Teilsignal yℓ(t) bestimmt. Dann wird in dieser Reihenfolge die Signallaufzeit τℓ, der Einfallswinkel Ω2,ℓ, der Abstrahlwinkel Ω1,ℓ, die Dopplerfrequenz νℓ für das Teilsignal yℓ bestimmt und daraus ein Schätzwert für die Amplitude αℓ errechnet. Diese Anfangswertbestimmung kann bei Benutzung einer Anordnung mit einer Mehrzahl von Abstrahl- und Empfangselementen (MIMO-System) nach dem folgenden Algorithmus durchgeführt werden: Using the method according to the invention, in a large number of cases satisfactory descriptions of the signal propagation can be obtained with comparatively few iteration steps, ie in a short time. However, it has been shown that in some cases, the variation of the signal model proposed according to the invention does not lead to satisfactory results. To remedy this deficiency, it is proposed according to a further aspect of the invention to determine the initial value of the iterative optimization for at least one parameter of the signal model using the received signal. This refinement of known methods is based on the knowledge that the convergence speed of optimization methods generally depends on a skilful choice of the initial values of the optimization and that a particularly realistic choice of the initial values can be made if the received signal is already taken into account in this selection. The determination of the initial values for the iterative optimization carried out in the course of the method according to the invention can be further improved if the initial values for the parameters of a parameter set are determined successively using the received signal and the previously determined initial values of the parameters of this parameter set. Likewise, initial values for parameter sets which belong to sub-signals which are subsequently considered after execution of at least one iteration step can be determined using previously determined parameter values of the other sub-signals. In this case, the partial signal y ℓ (t) is preferably first determined on the basis of the measured signal and the already determined initial values of the parameter sets. Then, in this order, the signal propagation time τℓ , the incident angle Ω 2, ℓ , the radiation angle Ω 1, ℓ , the Doppler frequency ν ℓ are determined for the sub-signal y ℓ and an estimated value for the amplitude α ℓ is calculated therefrom. This initial value determination can be carried out using an arrangement with a plurality of radiating and receiving elements (MIMO system) according to the following algorithm:
Für ℓ=1,...,L For ℓ = 1, ..., L
Dabei bezeichnen die Koordinatenpaare (ϕ1,ℓ, 1,ℓ) und (ϕ2,ℓ, 2,ℓ) die Einfallsrichtung bzw. die Abstrahlrichtung des entsprechenden Teilsignals darstellende Polarkoordinaten, ti,n,m die Startzeit eines in einem Meßzyklus i von einem Abstrahlelement n abgestrahlten und von einem Empfangselement m empfangenen Code-Signals, Tsc die Dauer, für die der Teilkanal mit dem Abstrahlement n und dem Empfangselement m für die Auswertung geschaltet ist und normierte Steeringvektoren für den Abstrahlbereich und den Empfangsbereich.In this case, the coordinate pairs (φ 1, ℓ , 1, ℓ ) and (φ 2, ℓ , 2, ℓ ) represent the direction of incidence or polarization representing the emission direction of the corresponding sub-signal, t i, n, m the start time of one in one Measuring cycle i emitted by a radiating element n and received by a receiving element m code signal, T sc the duration for which the sub-channel with the Abstrahlement n and the receiving element m is connected for the evaluation and standardized steering vectors for the emission area and the reception area.
Wie der vorstehenden Erläuterung erfindungsgemäßer Verfahren zu entnehmen ist, weist eine Vorrichtung zur Ausführung dieser Verfahren mindestens eine Abstrahleinrichtung zum Abstrahlen eines Signals, mindestens eine Empfangseinrichtung zum Empfangen des abgestrahlten Signals und eine Auswertungseinrichtung zum Anpassen der Parameter eines Signalmodells an das empfangene Signal auf, wobei die Auswertungseinrichtung zum Ausführen des vorstehend erläuterten variablen iterativen Optimierungsverfahrens betreibbar ist.As can be seen from the above explanation of methods according to the invention, a device for carrying out these methods has at least one emitting device for emitting a signal, at least one receiving device for receiving the radiated signal and an evaluation device for adjusting the parameters a signal model to the received signal, wherein the evaluation device for Executing the variable iterative optimization method explained above is.
Claims (21)
- αℓ =
- komplexe Amplitude des Teilsignals ℓ
- νℓ =
- Dopplerverschiebung des Teilsignals ℓ
- Ω2,ℓ =
- Einfallsrichtung des Teilsignals ℓ in den Empfangsbereich
- Ω1,ℓ =
- Abstrahlrichtung des Teilsignals ℓ vom Abstrahlbereich
- τℓ =
- Signallaufzeit des Teilsignals ℓ vom Abstrahlbereich zum Empfangsbereich
- c2 =
- Empfangscharakteristik des Empfangsbereichs
- c1 =
- Abstrahlcharakteristik des Abstrahlbereichs
- ℓ =
- [Ω1,ℓ , Ω2,ℓ , τℓ, νℓ, αℓ]
- Wℓ =
- räumlich und zeitlich weißes Rauschen
- u =
- abgestrahltes Testsignal
- α ℓ =
- complex amplitude of the partial signal ℓ
- ν ℓ =
- Doppler shift of the partial signal ℓ
- Ω 2, ℓ =
- Direction of arrival of the partial signal ℓ in the reception area
- Ω 1, ℓ =
- Emission direction of the partial signal ℓ from the emission area
- τ ℓ =
- Signal transit time of the partial signal ℓ from the emission area to the reception area
- c 2 =
- Reception characteristic of the reception area
- c 1 =
- Radiation characteristic of the radiation area
- ℓ =
- [Ω 1, ℓ , Ω 2, ℓ , τ ℓ , ν ℓ , α ℓ ]
- W l =
- spatially and temporally white noise
- u =
- radiated test signal
Parameter eines vorgegebenen Signalmodells zur Anpassung eines auf Grundlage des Signalmodells geschätzten Signals an das empfangene Signal iterativ optimiert werden,
dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangswert der iterativen Optimierung für mindestens einen Parameter des Signalmodells unter Verwendung des empfangenen Signals bestimmt wird.Method for determining the signal propagation properties of a wirelessly transferrable signal, in particular according to one of the preceding claims, in which a signal radiated in an emission area is received in a reception area and
Parameters of a predetermined signal model for adapting an estimated signal based on the signal model to the received signal are iteratively optimized,
characterized in that the initial value of the iterative optimization is determined for at least one parameter of the signal model using the received signal.
Für ℓ = 1,...,L Method according to claims 14 to 15, characterized in that the initial values (τ and ℓ (0); Ω and 2, ℓ (0); Ω 1, ℓ (0); ν ℓ (0); α ℓ (0) ) for the parameter sets (τ ℓ , Ω 2, ℓ , Ω 1, ℓ, ν ℓ , α ℓ ) of the individual partial signals y ℓ (t) are determined as follows:
For ℓ = 1, ..., L
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